Os compostos orgânicos estão presentes em praticamente todos os tipos de efluentes, e promovem efeitos adversos à atividade de micro-organismos anammox (GÜVEN et al., 2005; CHAMCHOI et al., 2008; MOLINUEVO et al., 2009). A inibição do processo Anammox por matéria orgânica pode ocorrer devido à inativação enzimática e ser irreversível, levando à morte celular (GÜVEN et al., 2005). Outro mecanismo proposto é a competição pelo aceptor de elétrons (nitrito) entre bactérias anammox, que são autotróficas, e bactérias heterotróficas desnitrificantes. Como as bactérias heterotróficas são capazes de crescer mais rapidamente em relação às autotróficas, acabam por eliminar as bactérias anammox na competição, inibindo dessa maneira, sua atividade (GÜVEN et al., 2005; CHANCHOI et al., 2008; LACKNER et
Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 37 Jin et al. (2012) explicaram que os compostos orgânicos podem ser divididos em tóxicos e não tóxicos. Os compostos orgânicos tóxicos são de difícil biodegradabilidade, como por exemplo, o álcool, os aldeídos, os fenóis e os antibióticos. Segundo Isaka et al. (2008), o metanol pode ser convertido intracelularmente em formaldeído devido à ação da enzima hidroxilamina oxidoredutase. O formaldeído interfere na atividade enzimática da célula anammox e pode inibir de forma irreversível o processo anammox, porém, mais estudos são necessários para entender esse efeito tóxico (SCHALK et al., 2000; METZ et al., 2004; GÜVEN et al., 2005; ISAKA et al., 2008). Güven et al. (2005) observaram inibição completa e irreversível da atividade anammox por metanol em concentrações tão baixas quanto 0,5mM.
Toh & Ashbolt (2002) conseguiram adaptar as bactérias anammox a um efluente contendo fenol, porém, um longo período foi requerido (15 meses). As concentrações afluentes de fenol chegaram até a 330 mg.L-1 e o reator anammox foi capaz de remover nitrito e amônia em proporções estequiométricas típicas da reação anammox. Pereira et al. (2014) cultivaram bactérias anammox a partir de lodo ativado em um reator em batelada sequencial (RBS) de 2L, alimentado com meio mineral autotrófico. As concentrações afluentes de N-NH4+ e N-NO2- foram inicialmente iguais a 20 mg.L-1 e alcançaram valores de 177 e 160 mg.L-1, respectivamente. Nesse estudo, o fenol foi adicionado ao reator do 335º ao 377º dia de operação com concentrações afluentes variando de 10 mg.L-1 até 300 mg.L-1. Os autores observaram perdas de eficiências iguais a 57% de amônia e 15% de nitrito, quando as concentrações de fenol atingiram 300 mg.L-1, em comparação com período precedente à alimentação do reator com fenol.
Jin et al. (2012) destacaram que os antibióticos são extensivamente aplicados para o tratamento de doenças humanas e animais, podem ser encontrados nos ambientes aquáticos como águas superficiais e subterrâneas e em estações de tratamento de efluentes, e o efeito de alguns antibióticos sobre o processo anammox deve ser investigado. Em estudo conduzido por Van de Graaf et al. (1995) foram adicionados em reatores anammox os antibióticos Penicilina (100 mg.L-1), Cloranfenicol (200 mg.L-1) e Ampicilina (800 mg.L-1), os quais foram capazes de promover a inibição de 36%, 98% e 94% da atividade anammox, respectivamente. Yang & Jin (2012) investigaram o efeito da oxitetraciclina, bastante utilizada para o tratamento de doenças em suínos, e portanto, presente em efluentes de suinocultura. Nesse estudo
verificou-Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 38 se que concentrações de 500 mg.L-1 foi capaz de inibir 37% da remoção de amônia pelo processo anammox.
Dentre os compostos orgânicos não tóxicos, cita-se a matéria orgânica normalmente presente nos efluentes sanitários, que pode ser de origem natural (vegetais, animais e micro-organismos) ou antropogênica (despejos domésticos e industriais), constituída principalmente por proteínas, carboidratos, lipídeos, além da ureia. Segundo Von Sperling (2005), a matéria carbonácea (com base no carbono orgânico) divide-se em duas frações: (a) não biodegradável (em suspensão e dissolvida) e (b) biodegradável (em suspensão e dissolvida). Normalmente, utilizam-se métodos indiretos para quantificação da matéria orgânica ou do seu potencial poluidor. A Demanda Química de Oxigênio (DQO) é um dos parâmetros tradicionalmente utilizados como indicador do conteúdo orgânico de águas residuárias e superficiais, e bastante utilizado no monitoramento de estações de tratamento de efluentes. A DQO é expressa em termos da quantidade total de oxigênio necessária para oxidação da matéria orgânica a dióxido de carbono e água. O processo Anammox é frequentemente aplicado ao tratamento de águas residuárias com altas concentrações de N-amoniacal e baixas concentrações de substâncias orgânicas, em que a proporção DQO/N é inferior a 0,5gDQO.gN (VAN DER STAR et al., 2007; WETT, 2007; JOSS et al., 2009; JENNI et al., 2014).
Chamchoi et al. (2008) investigando simultaneamente a ocorrência de reação anammox e desnitrificação em reatores do tipo UASB, verificaram que o aumento gradativo da concentração de DQO inibiu gradualmente a atividade das bactérias anammox, favorecendo concomitantemente a atividade de bactérias desnitrificantes. Observou-se nesse estudo que concentrações de DQO acima de 300 mg.L-1 são capazes de inibir totalmente a reação anammox.
Ni et al. (2012) testaram o desempenho do processo Anammox na presença de matéria orgânica, com diferentes relações DQO/N. Reatores em escala laboratorial com volume de 60 ml, operados com TDH de 1,5 dias, e biomassas diferentes (lodo granular e floculento) foram utilizados nesse estudo. Leite sem gordura foi adicionado ao afluente sintético como fonte de carbono. As concentrações de DQO testadas foram 100 mg.L-1, 200 mg.L-1 e 400 mg.L-1, com relação DQO/N de 1, 2 e 4, respectivamente. Antes da aplicação do afluente, os reatores apresentavam eficiência de remoção dos compostos nitrogenados em torno de 100%, ao final do estudo, foi observada eficiência de remoção em torno de 72%. Este estudo revelou que as
Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 39 bactérias anammox e desnitrificantes podem coexistir, e a adição de matéria orgânica teve efeito limitado sobre a remoção de amônia pelo processo Anammox. Porém, os autores concluíram que relações DQO/N superiores a 4 são prejudiciais ao processo Anammox, pois reduzem o quantidade de bactérias anammox e favorecem a desnitrificação heterotrófica. Outro aspecto importante desse estudo é que o lodo granular apresentou uma tolerância maior à presença de matéria orgânica do que o lodo floculento.
Jenni et al. (2014) aplicaram os processos de nitrificação/Anammox para testar a influencia de diferentes concentrações de DQO e tempos de retenção hidráulica na remoção de nitrogênio. O lodo utilizado foi proveniente de um digestor instalado em uma estação de tratamento de esgoto na Suíça, e o sobrenadante desse sistema foi empregado para a alimentação do reator. Os autores utilizaram um reator operado em bateladas sequenciais, com volume de trabalho de 6,7 litros, sendo o acetato e a glicose as fontes de carbono aplicadas em etapas distintas. A relação DQO/N foi elevada gradativamente até 1,4gDQO gN-1, e simultaneamente, o tempo de retenção hidráulica foi reduzido. A eficiência de remoção de nitrogênio foi de até 85%, quando aplicado somente o sobrenadante do digestor. Após a aplicação de acetato e da glicose, a eficiência foi próxima de 95%. A composição da comunidade de bactérias anammox foi avaliada pela técnica de FISH (Fluorescent in-situ hybridisation), e os resultados mostraram que a partir da proporção de 0,8g DQO gN-1, houve um aumento da espécie Candidatus Brocadia fulgida, porém, o n° total de bactérias anammox diminuiu. Os autores constataram ainda que a alternância de acetato e glicose não influenciou negativamente a comunidade e o predomínio da bactéria Ca. Brocadia fulgida deve-se ao fato de que essa espécie é reconhecida pela capacidade de oxidar o acetato. Em estudo posterior, Jenni et al. (2015) utilizaram o balanço de massa para entender os processos bacterianos relevantes que ocorreram em um reator de nitrificação/anammox. Os autores concluíram que é um desafio conseguir fechar o balanço de massa e os estudos de cinética, devido à complexidade dos processos que ocorrem e ao alto desvio padrão obtido.
Bi et al. (2015) estudaram os efeitos da relação C/N sobre a população bacteriana envolvida na remoção de nitrogênio pelo processo SAD (Simultaneous Anammox and Denitrification). Os autores desenvolveram um modelo matemático para descrever a remoção de nitrogênio e de carbono orgânico. O modelo considerava bactérias anammox, bactérias desnitrificantes, nitrogênio amoniacal, nitrito, nitrato e o carbono biodegradável. Para a verificação desse
Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 40 modelo, um experimento em batelada foi montado com uma mistura de lodo anammox e lodo ativado. As proporções C/N testadas foram 1,0; 1,8 e 3,5, a fonte de carbono utilizada foi o acetato. Os testes mostraram que proporções superiores a 1,8 afetaram a remoção de nitrogênio pelo processo anammox, e o modelo matemático desenvolvido neste estudo foi importante para avaliação e monitoramento do processo SAD.
Com base no referencial teórico apresentado, percebe-se que os estudos sobre a aplicação do processo Anammox para o tratamento de efluentes, que ainda contenham compostos orgânicos, e os efeitos que esses compostos podem exercer sobre o processo, são poucos na literatura. A maioria das pesquisas desenvolvidas sobre esse tema utilizaram efluentes sintéticos acrescidos de algum composto orgânico (acetato, propionato, glicose, etc.). Apesar dos avanços nos estudos acerca do processo Anammox, trabalhos que utilizaram esse processo para tratamento de efluentes reais contendo compostos orgânicos ainda são raros na literatura e necessitam de maiores investigações. A Tabela 3.11 apresenta, resumidamente, os estudos relacionados à aplicação do processo Anammox, bem como as concentrações e os efeitos sobre o processo quando submetido a compostos orgânicos.
Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 41 Tabela 3.11: Descrição resumida de estudos relacionados ao efeito dos compostos orgânicos sobre o processo Anammox
Tipo de Reator Biomassa Composto Orgânico Concentração
(mg.L-1) DQO/N
Efeito sobre o processo
Anammox Referência
Reator de leito Fluidizado (FBR) fluxo contínuo
Lodo de reator metanogênico (MULDER et al., 1995)
Glicose
(efluente sintético) 180 (1mM.L
-1) NI Redução de 12% da atividade VAN DE GRAAF et
al., 1996
Reator anaeróbio em
batelada Cultura enriquecida anammox
Propionato (efluente sintético) 288 (<3mM.L-1)
NI Não significativo GÜVEN et al., 2005 Acetato (efluente sintético) 4,1-24,6 (0,5-3mM.L-1)
Frascos em batelada
Biomassa enriquecidaa (DAPENA-MORA et al.,
2004)
Acetato (efluente sintético)
82 (10 mM.L-1) NI Não significativo DAPENA-MORA et al., 2007 205 (25 mM.L-1) Redução de 22% da atividade 410 (50 mM.L-1) Redução de 70% da atividade UASB, fluxo contínuo Lodo anammox granularb
Leite - 3,4% proteína; 4,8% carboidrato e 3,5% lipídeo
(efluente sintético)
>300* 0,9; 1,4 e
2,0 Inibição atividade anammox
CHANCHOI et al., 2008 UASB, semicontínuo Lodo anammox granular Efluente suinocultura >290* 1,0 Inibição atividade anammox MOLINUEVO et
al., 2009
UASB Lodo anammox granular
(TANG et al., 2009) Sacarose (efluente sintético) 700* 3,0 Redução de 98% da atividade TANG et al., 2010
Frascos em batelada Biofilme anammox c (TSUSHIMA et al., 2007) Acetato (efluente sintético) 8,2 (1mM.L -1) NI Redução de 2% da atividade OSHIKI et al., 2011 Propionato (efluente sintético) 96 (1mM.L -1) Redução de 1% da atividade Glicose (efluente sintético) 180 (1mM.L -1) Redução de 5% da atividade
UASB Lodo anammox granular Leite sem gordura (efluente
sintético) 100; 200 e 400*
1,0; 2,0 e 4,0
Redução de 28% da atividade
(DQO/N 3,1) NI et al., 2012
Lodo anammox floculento Redução de 28% da atividade
Reator em batelada sequencial
Lodo anammox granular de digestord
Acetato
Glicose 720*
0,27 a
1,4 Remoção de nitrogênio > 95% JENNI et al., 2014 Frascos em batelada Mistura de lodo anammox e
lodo ativado Acetato (efluente sintético) 40-140
1,0; 1,8 e 3,5 Remoção de 82% de N e acumulo de 12,7 mg. L-1 de nitrito BI et al., 2015 NI: Não informado
* Concentração em termos de DQO
a Espécie de bactéria dominante Candidatus Kuenenia stuttgartiensis
b Espécies de bactérias dominantes Ca. Brocadia anammoxidans e Ca.Kuenenia stuttgartiensis
c
Espécie de bactéria dominante Candidatus Brocadia sinica d Espécie de bactéria dominante Candidatus Brocadia fulgida
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3.4 Reator UASB
O Reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), também denominado reator de fluxo ascendente e manta de lodo, é um tipo de tecnologia anaeróbia amplamente utilizada no mundo para o tratamento de águas residuárias. O processo consiste em um fluxo ascendente de água residuária (esgoto) através de um leito de lodo denso, o que possibilita a estabilização da matéria orgânica e a formação de novas células e de biogás. Um dos princípios fundamentais do processo é a presença de um dispositivo de separação de sólidos e gases, que se localiza na parte superior do reator e garante a liberação do gás contido na mistura líquida, propiciando condições ótimas de sedimentação do lodo no compartimento de decantação e o seu retorno ao compartimento de digestão. Outra característica importante dos reatores UASB é o desenvolvimento de uma biomassa de elevada atividade (CHERNICHARO, 2007).
Entre as tecnologias existentes para tratamento de esgotos, os reatores anaeróbios do tipo